Motores de induccion

MOTOR DE INDUCCIÓN MAQUINAS ELÉCTRICAS II

7.1. ¿Qué son deslizamiento y velocidad de deslizamiento en un motor de inducción?

El movimiento relativo es el deslizamiento, el cual es la velocidad relativa expresada sobre una base en por unidad o en porcentaje. El deslizamiento está definido como:

La velocidad de deslizamiento, definida como la diferencia entre la velocidad sincrónica y la velocidad del rotor:

Dónde:

7.2. ¿Cómo desarrolla el par un motor de inducción?

El movimiento relativo del rotor con respecto al campo magnético del estator produce voltaje inducido en una barra del rotor. La velocidad de las barras de la parte superior del rotor, en relación al campo magnético, es hacia la derecha de modo que el voltaje inducido en alas barras superiores es hacia afuera, mientras que el voltaje inducido en las barras inferiores es hacia adentro de la página. Esto produce un flujo de corriente hacia afuera en las barra superiores, y hacia adentro en las inferiores. Sin embargo el flujo de corriente del rotor produce un campo magnético del rotor BR. Finalmente, puesto que el para inducido en la maquina está dado por:

Y su dirección está en sentido contrario al de las manecillas del reloj y el rotor se acelera en esta dirección.

Figura 1: Desarrollo del par inducido en un motor de inducción. a) El campo rotacional del estator BS, induce voltaje en las

barras del rotor; b) el voltaje del rotor produce un flujo de corriente en el rotor que atrasa el voltaje debido a la inductancia del

mismo; c) la corriente del rotor produce un campo magnético en el rotor BR que está a 90 detrás de ella, y BR interactúa con

Bnet para producir en la maquina un par en sentido contrario a las manecillas del reloj.

7.3. ¿Por qué es imposible que un motor de inducción opere a velocidad sincrónica?

Existe un límite superior finito para la velocidad del motor. Si el rotor del motor de inducción estuviera rotando a la velocidad sincrónica, las barras del rotor serian estacionarias con respecto al campo magnético y no habría voltaje inducido. Si e ind fuera igual a 0, no habría corriente en el rotor ni tampoco campo magnético retórico. Sin campo magnético retórico, el par inducido seria cero y el rotor se frenaría como resultado de las perdidas por rozamiento. En consecuencia, un motor de inducción puede acelerar hasta una velocidad cercana a la de sincronismo pero nunca puede alcanzarla par completo.

En operación normal, los campos magnéticos del rotor y el estator BR y BS rotan conjuntamente a velocidad

sincrónica nsinc mientras que el rotor en si gira a una velocidad menor.

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7.4. ¿Qué es un rotor de jaula de ardilla de barra profunda? ¿Para qué se utiliza? ¿Qué clase(s) de diseño NEMA se puede(n) construir con él?

Figura 2: DISEÑO NEMA CLASE B-BARRAS RETORICAS GRANDES Y PROFUNDAS

Los diseños previos de rotores son similares en esencia a los de motores con rotor devanado con un conjunto de resistencia retórica. ¿Cómo se puede producir una resistencia retórica variable para combinar un alto par de arranque y baja corriente de arranque del diseño clase D con el bajo deslizamiento de operación normal y la alta eficiencia del diseño clase A?

Es posible producir una resistencia retórica variable utilizando barras retóricas profundas o rotores de doble jaula. En la figura 1 se ilustra el concepto básico con un rotor de barra profunda. La figura 2a muestra una corriente que fluye a través de la parte superior de una barra de rotor de barra profunda. Puesto que la corriente que fluye en esa área está estrechamente acoplada al estator, la inductancia de dispersión es pequeña en esa región. La figura 3 muestra la comente que fluye en la parte más profunda de la barra. Aquí, la inductancia de dispersión es más alta. Puesto que todas las partes de la barra del rotor están eléctricamente en paralelo, la barra representa una serie de circuitos eléctricos en paralelo, de los cuales los de la parte superior tienen menor inductancia y los de la parte inferior, mayor inductancia (Figura C).

Diseño clase A Diseño clase B Diseño clase C Diseño clase D Diseño clase F

Figura 3: flujo disperso en un rotor de barra profunda a) para un corriente que fluye en la parte superior de la barra, el flujo está fuertemente ligado al estator, y la inductancia de dispersión es pequeña b) para la corriente e que fluye en la parte inferior de la barra, el flujo esta

débilmente ligada al estator y la inductancia de dispersión es grande, c) el circuito equivalente resultante de la barra del rotor como función de la profundidad en el rotor.

7.5. ¿.Que es un rotor de doble jaula de ardilla? ¿Para qué se utiliza? ¿Qué clase(s) de diseño NEMA se puede(n) construir con él?

En el circuito equivalente del motor de inducción, la reactancia X2 representa en forma referida, la reactancia de dispersión del rotor. Recuérdese que la reactancia de dispersión es la reactancia debida a las líneas de flujo del rotor que no se acoplan con los devanados del estator. En general cuanto más lejana del estator se encuentre una barra del rotor o parte de la barra, mayor es su reactancia de dispersión puesto que será menor el porcentaje del flujo de la barra que llegara al estator. Entonces, si las barras de un rotor de jaula de ardilla se colocan cerca de la superficie del rotor, tendrán tan solo un pequeño flujo disperse y la reactancia X2 será pequeña en el circuito equivalente. Por otra parte, si las barras del rotor se colocan profundas dentro de la estructura del rotor, habrá más dispersión y la reactancia X del rotor será mayor.



Es posible producir una resistencia retórica variable utilizando barras retoricas profundas o rotores de doble jaula. Puesto que la corriente fluye a través de la parte superior de una barra de rotor de barra profunda.

a) DISEÑO CLASE A.

Figura 4: DISEÑO NEMA CLASE A-GRANDES BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE

Los motores de diseño clase A son de diseño estándar: con un par de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento a plena carga de los motores de diseño clase A debe ser menor de 5% y menor que el del motor de tamaño equivalente de diseño clase B

b) DISEÑO CLASE B.

Los motores de diseño clase B tienen par de arranque normal, baja comente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25% menos comente. El par máximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor que el del diseño clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor.

El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menor del 5%), aun a plena carga.

c) DISEÑO CLASE C.

Los motores de diseño clase C tienen alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos de 5%) a plena carga. El par máximo es un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta 250% del par de plena carga.

Figura 5: DISEÑO NEMA CLASE C-ROTOR DE DOBLE JAULA

d) DISEÑO CLASE D.

Los motores de diseño clase D tienen alto par de arranque (275% o más del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen alto deslizamiento a plena carga. En esencia son motores de inducción de clase A comunes, pero las barras del rotor son más pequeñas y la resistencia del material es más elevada.

Figura 6: DISEÑO NEMA CLASE D- PEQUEÑAS BARRAS CERCA DE LA SUPERFICIE

7.6. Describa las características y usos de los motores de inducción de rotor devanado y de cada clase NEMA de diseño de motores de jaula de ardilla.



DISEÑO CLASE A.

Los motores de diseño clase A son de diseño estándar: con un par de arranque normal, corriente de arranque normal y bajo deslizamiento. El deslizamiento a plena carga de los motores de diseño clase A debe ser menor de 5% y menor que el del motor de tamaño equivalente de diseño clase B. El par máximo equivale a entre 200 y 300% del par de plena carga y ocurre a un bajo deslizamiento (menor de 20%). El par de arranque de este diseño equivale por lo menos, al nominal de los motores grandes y es 200% o más del par nominal de los motores pequeños. El problema principal de esta clase de diseño es la extremadamente alta corriente de irrupción en el arranque. Los flujos de corriente en el arranque equivalen a entre 500 y 800% de la corriente nominal. Si la

potencia sobrepasa 7.5 hp, se debe utilizar alguna forma de voltaje reducido en el arranque de estos motores, para evitar problemas de caída de voltaje en el sistema de potencia al cual se hallan conectados. En el pasado, los motores de diseño clase A fueron de diseño estándar para la mayoría de las aplicaciones que no sobrepasaban 7.5 hp y hasta cerca de 200 hp, pero han sido remplazados por motores de diseño clase B en los últimos años. Estos motores se utilizan en ventiladores, sopladores, bombas, tomos y otras máquinas herramientas.

DISEÑO CLASE B.

Los motores de diseño clase B tienen par de arranque normal, baja comente de arranque y bajo deslizamiento. Este motor produce casi el mismo par de arranque que el motor de clase A con cerca de 25% menos comente. El par máximo es mayor o igual a 200% del par de carga nominal, pero menor que el del diseño clase A, debido al aumento de la reactancia del rotor.

El deslizamiento del rotor es relativamente bajo (menor del 5%), aun a plena carga. La aplicaciones son similares a las de los motores de diseño clase A, pero los de diseño clase B son preferidos debido a que requieren poca comente de arranque. Los motores de diseño clase B han remplazado ampliamente a los motores de diseño clase A en las nuevas instalaciones.

DISEÑO CLASE C.

Los motores de diseño clase C tienen alto par de arranque con bajas corrientes de arranque y bajo deslizamiento (menos de 5%) a plena carga. El par máximo es un poco menor que el de los motores de clase A, mientras que el par de arranque es hasta 250% del par de plena carga. Estos motores son construidos con rotores de doble jaula; por tanto, son más costosos que los motores de las clases ya indicadas. Se utilizan para cargas con alto par de arranque como bombas, compresor y transportador.

DISEÑO CLASE D.

Los motores de diseño clase D tienen alto par de arranque (275% o más del par nominal) y una baja corriente de arranque, pero también tienen alto deslizamiento a plena carga. En esencia son motores de inducción de clase A comunes, pero las barras del rotor son más pequeñas y la resistencia del material es más elevada. La alta resistencia del rotor desplaza el par máximo hacia una velocidad muy baja. También es posible que el par máximo ocurra a velocidad cero (100% de deslizamiento). En estos motores, el deslizamiento a plena carga es bastante alto debido a la alta resistencia retórica. Esta típicamente entre 7 y 11 %, pero puede llegar a 17% o más. Estos motores se utilizan en aplicaciones que requieren acelerar cargas de inercias muy altas, en especial grandes volantes utilizados en troqueladoras o en cortadoras. En tales aplicaciones, estos motores aceleran un gran volante de modo gradual hasta alcanzar su plena velocidad, que luego se trasmite a la troqueladora. Después de la operación de troquelado, el motor re acelera el volante durante un moderado tiempo hasta la próxima operación.

Además de estas cuatro clases de diseño, la NEMA reconoció las clases de diseño E y F que fueron llamados motores de inducción de arranque suave.

7.7. ¿Por qué la eficiencia de un motor de inducción (de rotor devanado o de jaula de ardilla) es tan pobre a altos deslizamientos?

El mayor esfuerzo de diseño se dirigió a reducir el costo inicial de los materiales de las maquinas, no a aumentar su eficiencia. Esta orientación del diseño se debió a que la electricidad no era tan costosa; en consecuencia, el costo directo del motor era el criterio principal utilizado por los compradores para elegir.

Estas técnicas son:

Se utiliza más cobre en los devanados del estator, para reducir las pérdidas en el cobre.

Las longitudes de los núcleos del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magnético en el entrehierro de la máquina. Esto reduce la saturación magnética de la máquina y disminuye las perdidas en el núcleo.



Se utiliza más acero en el estator de la máquina, lo cual permite transferir mayor cantidad de calor hacia fuera del motor y reducir su temperatura de operaci6n. El ventilador del rotor se rediseña para reducir las pérdidas por rozamiento con el aire.

En el estator se utiliza acero especial de alto grado eléctrico y bajas perdidas por histéresis. El acero, de muy alta resistividad interna, se lamina en calibres especialmente delgados (esto es, las

láminas se ubican muy juntas unas de otras). Ambos efectos tienden a reducir las corrientes parásitas en el motor.

El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas dispersas en el motor.

7.8. Enumere y describa cuatro medios para controlar la velocidad de los motores de inducción.

1. CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR MEDIANTE EL CAMBIO DE POLOS. Existen dos métodos para cambiar el número de polos en un motor de inducción Método de polos consecuentes.- Se basa en el hecho de que le número de polos en los devanados de un motor de inducción se puede cambiar con facilidad en relación 2:1 con solo efectuar simples cambios en la conexión de las bobinas.Devanado de estatores múltiples.- La mayor desventaja del método de polos consecuentes para cambiar la velocidad es que las velocidades deben estar en relación 2:1, para superar esta limitación se emplean estatores de devanados múltiples con diferente número de polos, de los cuales solo se energizaba uno en cada oportunidad.

Figura 7: DEVANADO ESTATÓRICO DE DOS POLOS PARA CAMBIO DE POLOS. NÓTESE EL PASO TAN PEQUEÑO EN EL ROTOR DE ESTOS DEVANADOS.

2. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE EL CAMBIO DE LA FRECUENCIA DE LA LÍNEA.

Si se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción, la velocidad de sus campos magnéticos nsinc. Cambiará en proporción directa al cambio de frecuencia eléctrica y el punto de vacio sobre la curva característica par-velocidad cambiara con ella. La velocidad sincrónica del motor en condiciones normales se la conoce como velocidad de base.

Utilizando control de frecuencia variable es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo de la velocidad base.

Un diseño adecuado de un control de velocidad de un motor de inducción puede ser diseñado que va desde un rango desde el 5 % de la velocidad base hasta cerca del doble de esta, para esto es sumamente importante tener criterio sobre ciertos límites sobre el voltaje y par sobre el motor cuando varía la frecuencia.

3. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE CAMBIO DE VOLTAJE DE LÍNEA.

El par desarrollado por un motor de inducción es proporcional al cuadrado del voltaje aplicado. La velocidad del motor puede ser controlada en un rango limitado, variando el voltaje de la línea, este método de control de velocidad se utiliza a veces para manejar pequeños motores de ventilación.

4. CONTROL DE VELOCIDAD MEDIANTE CAMBIO DE LA RESISTENCIA DEL ROTOR.

Es posible cambiar la forma de la curva par-velocidad insertando resistencias extras en el circuito del rotor de la máquina, al cambiar la resistencia en el rotor varia la velocidad de operación del motor sin embargo la inserción de las resistencias extras en el motor reduce en una gran cantidad la eficiencia de la máquina. Por tal razón solo se lo utiliza en periodos cortos.



7.11. ¿Por qué es necesario reducir el voltaje aplicado a un motor de inducción cuando se reduce la frecuencia eléctrica?

Hoy en día para el control de la velocidad de los motores de inducción es el controlador de frecuencia variable de estado sólido, este tipo de variadores puede tener una entrada monofásica o trifásica de 50 o 60 Hz, y puede tener un voltaje cualquiera que va desde 208 a 230 V. y la salida puede estar desde 0 a 120 Hz. Y el voltaje puede ser variado desde 0 hasta el voltaje nominal del motor.

Tanto el voltaje como la frecuencia de salida pueden ser controladas mediante la modulación del ancho de pulso. Es importante variar linealmente la frecuencia de salida y el voltaje rms de salida. Al disminuir la frecuencia aparece un incremento del flujo magnético, la cual afecta directamente al flujo de corriente.

7.12. ¿Por qué el control de velocidad por variación del voltaje en los terminales está limitado en el rango de operación?

Debido a que muchas cargas requieren un par muy pequeño en el arranque es decir que requieren una marcha a una baja velocidad, tiene pares que aumentan con el cuadrado de la velocidad. Otras cargas podrían exigir más al motor en el arranque y se necesitaría más que el par nominal en plena carga para poderlo poner en movimiento.

El voltaje de salida cambia linealmente con los cambios en la frecuencia de salida para velocidades inferiores a la velocidad de base y se mantiene constante el voltaje para velocidades superiores a la de la base.

Los modelos que tienen pares de arranque altos también ocurre el mismo fenómeno es decir el voltaje de salida varia linealmente con la frecuencia para el caso de que la salida se inferior a la velocidad de la base y de igual manera se mantiene constante en el caso de tener la misma velocidad de la base.

7.14. ¿Cómo trabaja un circuito resistivo de arranque en un motor de inducción?

Una forma de reducir la corriente de arranque es insertar en la línea de potencia inductancias o resistencias extras durante el arranque.

Aunque esta técnica antes era muy común en la actualidad no es muy usada. Esta consiste en reducir el voltaje en los terminales del motor durante el arranque utilizando autotransformadores para ello.

Es importante aclarar que mientras la corriente de arranque se reduce en proporción directa a la disminución del voltaje en los terminales, el par de arranque disminuye con el cuadrado del voltaje aplicado, entonces solo puede reducirse cierta cantidad si el rotor va a arrancar con cierta cantidad de carga.

7.15. ¿Qué información se deduce de una prueba de rotor bloqueado?

En esta prueba se bloquea el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al motor y se mide el voltaje, la corriente y la potencia resultante, estos datos son la corriente, potencia y voltaje que se encuentra fluyendo hacia el motor.

Casi toda la corriente de ingreso fluirá por el motor debido a que se encuentra bloqueado el estator.

Este tipo de prueba presenta una complicación con la frecuencia del rotor debido a que este depende directamente de la frecuencia de la línea ya que esta se encuentra en un rango del 2 a 4 Hz y esto ocasiona un verdadero problema ya que en condiciones normales de operación no está representado con la frecuencia normal de su funcionamiento.

El flujo de corriente es ajustado con rapidez cerca de su valor nominal y con esto podemos medir la potencia, el voltaje y la corriente de entrada antes que el rotor se caliente demasiado.

7.16. ¿Qué información se deduce de una prueba de vacío?

Una prueba a vacio mide las perdidas rotacionales del motor y suministra información sobre la corriente de magnetización.

Los vatímetros, un voltímetro y 3 amperímetros se conectan al motor de inducción al cual se permite girar libremente, la única carga puesta sobre el rotor es su propio rozamiento o con el aire, de tal manera que la potencia consumida por el motor solo son la perdidas mecánicas y el deslizamiento del motor es muy pequeño.

La potencia medida por los vatímetros debe ser igual a las perdidas en el motor, las perdidas en el cobre del rotor son despreciables debido a que la corriente es demasiada pequeña y por lo tanto pueden ser despreciables.

7.17. ¿Qué acciones se emprenden para mejorar la eficiencia de los motores de inducción modernos de alta eficiencia?



Se utiliza más cobre en los devanados del estator, para reducir las pérdidas en el cobre. Las longitudes del rotor y del estator se incrementan para reducir la densidad de flujo magnético en el

entrehierro de la máquina, esto reduce la saturación magnética de la máquina. Se utiliza más acero en el estator de la maquina la cual permite transferir mayor cantidad de calor de la

maquina hacia afuera del motor. En el estator se utiliza acero especial de alto grado eléctrico y bajas perdidas por histéresis. El acero es de muy alta resistividad interna, esto ayuda a reducir las corrientes parasitas en el motor. El rotor es maquinado cuidadosamente para producir un entrehierro uniforme que reduce las perdidas

dispersas en el motor. 7.18. ¿Qué controla el voltaje en los terminales de un generador de inducción que

opera aisladamente?

Cuando se pone a girar por primera vez un generador de inducción, magnetismo residual en su circuito de campo origina un pequeño voltaje que produce un flujo de corriente capacitiva que a su vez aumenta el voltaje e incrementa la corriente capacitiva, y así sucesivamente hasta que el voltaje queda establecido del todo, si no hay flujo residual presente en el rotor de la máquina.

Uno de los mayores problemas de esto generadores es que su voltaje varia ampliamente con los cambios de su carga, en especial con la carga reactiva. En el caso de carga inductiva el voltaje cae con mucha rapidez. Esto ocurre debido a que los condensadores fijos deben suministrar toda la potencia reactiva necesitada tanto por el generador como por la carga, y cualquier potencia reactiva desvía mayor caída en el voltaje del generador.

7.19. ¿En qué aplicaciones se usa típicamente lo generadores de inducción? El generador de inducción es muy útil debido a que requieren un mínimo mantenimiento o control. Son muy favorables para. Molinos de viento. Ya que estos están diseñados para operar en paralelo con grandes sistemas de

potencia. La recuperación de energía llego a ser parte de la economía de la mayoría de los procesos industriales. 7.20. ¿Cómo puede utilizarse un motor de inducción de rotor devanado con variador de

frecuencia?

Se cambia la frecuencia eléctrica aplicada al estator de un motor de inducción, la velocidad de rotación de sus campos magnéticos cambiara en proporción directa al cambio de frecuencia eléctrica y el punto de vacio cambiara junto con ella.

Con el control de frecuencia es posible ajustar la velocidad del motor por encima o por debajo del valor base.

Un controlador de frecuencia variable para motores de inducción, diseñado adecuadamente puede ser muy flexible y así poder controlar la velocidad de un motor de inducción sobre un rango de velocidad, siempre debemos tener presente ciertos límites de voltaje y par sobre el motor cuando varia la frecuencia para asegurar una frecuencia confiable.

7.21. Describa los principales rasgos de los controladores de estado sólido para motores de inducción, relacionados en la sección 7-10.

Ajuste de frecuencia del controlador puede mejorarse manualmente desde un control montado en el gabinete o desde un control remoto mediante una señal de voltaje o corriente externa. Esto nos permite que un controlador o computador externo pueda controlar la velocidad de acuerdo a las necesidades de la planta en la cual se ha instalado.

Los modelos de voltaje y frecuencia, algunas cargas aumentan su par a medida que aumenta su velocidad, este controlador suministra una variedad de modelos de voltaje contra frecuencia que se pueden seleccionar para que el par del motor coincida con el requerido por su carga.

Rampas de aceleración y desaceleración ajustables independientemente, el controlador que la maneja cambiara la frecuencia para llevar al motor a la nueva velocidad si el cambio de frecuencia es repentino.

Protección del motor, tiene incorporado una serie de elementos para poder proteger al motor que se acopla, este controlador puede detectar corrientes excesivas de estado estacionario, corrientes excesivas, condiciones de sobre-voltaje o bajo voltaje.

7.23. Se fabrican dos motores de inducción de 180 V, 100hp. Uno de ellos es diseñado para operar a 50Hz y el otro a 60Hz; en los demás son similares. ¿Cuál de estas dos máquinas es más grande?



Las dos máquinas tienen las mismas dimensiones. Esto se debe a que ninguna de las dos máquinas depende de la frecuencia en lo que se refiere a sus dimensiones o tamaño. La frecuencia infiere en la velocidad, el flujo, el voltaje más no en las dimensiones del motor.

7.24. Un motor de inducción gira en condiciones nominales. Si se incrementa la carga al eje. ¿Cómo cambia las siguientes magnitudes?

a) Velocidad mecánica

La velocidad mecánica cambia medida que varía la carga es decir que si la carga disminuye la velocidad aumenta casi hasta la del sincronismo pero nunca llega a una velocidad sincrónica.

Mientras que si la carga aumenta la velocidad del motor disminuye a medida que este también lo hace.

b) Deslizamiento

Aumentará, pues la velocidad mecánica será menor que antes mientras que la velocidad de los campos magnéticos intentará mantenerse sin variación.

c) Voltaje inducido en el rotor

Tiende a aumentar para aumentar el torque que se entrega a la carga, hasta un límite en el cual disminuye por sobrecorriente.

d) Corriente de rotor

Aumenta sin límite mientras la carga también aumenta, por lo que el motor puede quemarse.

e) Frecuencia del rotor

Según la fórmula:

La frecuencia disminuye para poder aumentar la corriente para entregar un mayor par a la carga.

f) Pérdidas en el cobre del rotor

Aumenta pues la corriente que circula por el mismo también aumenta.

g) Velocidad sincrónica

No sufre variación.

5. REFERENCIAS[1] Libro “Máquinas eléctricas”, autor Steven Chapman, capítulo 1, tercera edición.


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